楊 光，張遼遠，張百慧，王向飛

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159)

目前國標或行業(yè)中經(jīng)常接觸的螺栓緊固安裝的四種方法是扭矩法、轉(zhuǎn)角法、扭矩斜率法、拉伸法。最常用的安裝方法是扭矩法，因其操作簡單、易于掌握。扭矩法主要是確定扭矩系數(shù)與標準偏差。在考慮了三維效應(yīng)和彈塑性變形的影響后(摩擦系數(shù)的變化可忽略不計)，對于某種類型的連接件，只要測得扭矩系數(shù)，便可通過測量緊固過程中施加的扭矩，計算出螺栓的預(yù)緊力。螺栓成批使用，扭矩系數(shù)是一個統(tǒng)計量，具有離散性。扭矩系數(shù)的離散會導(dǎo)致預(yù)緊力的離散，造成螺栓預(yù)緊力過緊或不足，影響螺栓連接的安全[1]。

對于一些重要或有特殊要求的螺栓連接，所需要的預(yù)緊力不同，且所需預(yù)緊力的數(shù)值必須在裝配圖上作為技術(shù)條件注明，以此保證裝配后的安全。如汽車上有許多需要用螺栓、螺母連接的地方，應(yīng)該保證其有足夠的預(yù)緊力，但也不能擰得過緊。若擰得過緊，導(dǎo)致瞬時預(yù)緊力過大，會使被連接件在外力作用下產(chǎn)生永久塑性變形，同時也會使螺栓產(chǎn)生拉伸塑性變形，預(yù)緊力反而下降，甚至會造成螺栓滑扣或折斷。

在測量扭矩系數(shù)的同時還必須了解和控制扭矩系數(shù)的離散程度，以便更精確的控制螺栓的預(yù)緊力。本文對螺栓扭矩系數(shù)進行測量，研究螺栓連接在有無墊圈、不同施力速度的情況下對螺栓扭矩系數(shù)的影響，確定螺栓扭矩系數(shù)的分布情況，為螺栓的設(shè)計及施加的扭矩大小提供參考，為工程上通過扭矩精確控制軸向力提供幫助[2]。

1 理論分析

壓緊力在螺栓裝配生產(chǎn)線上無法直接測量，但在螺栓擰緊過程中，施力扭矩及其轉(zhuǎn)角可以測量，且扭矩和壓緊力之間存在一定關(guān)系[3]。

根據(jù)螺栓連接經(jīng)典理論，螺栓連接預(yù)緊力矩T與預(yù)緊力F有如下的關(guān)系。

(1)

式中：T為螺栓預(yù)緊力矩；T1為螺紋副力矩；T2為螺帽或螺母受力接觸面的力矩；F為預(yù)緊力(壓緊力)；d2為螺紋中徑；α為牙型角；λ為螺紋升角；μ為螺紋摩擦系數(shù)；μ1為支撐面摩擦系數(shù)；dn為支撐面的平均直徑。

引入螺栓的公稱直徑d，變換后可得

T=KFd

(2)

式中K為扭矩系數(shù)

(3)

K即為工程中經(jīng)常用的扭矩系數(shù)，只要螺栓的尺寸型號一定，被連接件的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)相同，且假設(shè)在不同載荷作用下，支撐面和螺紋的接觸應(yīng)力分布相同，則可認為扭矩系數(shù)是一個定值。但螺栓在實際擰緊過程中，接觸面之間的摩擦系數(shù)是不斷變化的，且在實際應(yīng)用中，公式(3)中的參數(shù)過于復(fù)雜，不便直接測量，并且螺栓成批使用，螺栓生產(chǎn)過程中也存在制造誤差，也會對扭矩系數(shù)的計算產(chǎn)生一定的離散影響。因此，扭矩系數(shù)在工程上應(yīng)用并不理想，一般用于精度要求不高、粗略控制緊固力的情況。

2 實驗研究

2.1 實驗條件

經(jīng)多次實驗，最終確定由扭轉(zhuǎn)試驗機提供可精確控制的扭矩。裝有專用螺栓軸向力檢測的傳感器，可以實時監(jiān)測螺栓連接中施力扭矩所產(chǎn)生的壓緊力，這種方法也可記錄螺栓擰緊的過程、扭矩系數(shù)實時變化的情況。具體實驗原理如圖1所示。

圖1 螺栓軸向力實驗原理圖

考慮到影響螺栓扭矩系數(shù)的因素較多，如螺紋的螺距、牙型角、表面粗糙度、與連接面的平行度等等，這會導(dǎo)致扭矩系數(shù)的離散性較大。為盡可能的保證螺栓連接的可靠性，減少因螺栓自身誤差對扭矩系數(shù)帶來的影響，本實驗采用定制的同一批次的M8、12.9級高強度螺栓、螺母和墊片，以保證螺栓自身的誤差最小，控制其對扭矩系數(shù)的影響。

2.2 實驗設(shè)備

螺栓軸向力的檢測采用力傳感器，經(jīng)過多次嘗試實驗，最終本實驗采用的是定制的螺栓專用壓力傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中空且?guī)в袃?nèi)螺紋，壓力傳感器背面有預(yù)留的法蘭連接螺紋孔，為方便連接。壓力傳感器的量程為5t，精度達0.01kg，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓力傳感器

本文先采用扭矩扳手來施加扭矩，這種方法可精準的控制所要施加扭矩的大小，但只能采集到設(shè)定的額定扭矩所對應(yīng)的軸向力的大小，且施加扭矩過程中，扭矩速度非常不穩(wěn)定，中間會產(chǎn)生停頓，不能實時監(jiān)測扭矩變化與軸向力變化之間的關(guān)系。經(jīng)過用拉力計、扭矩扳手、扭轉(zhuǎn)試驗機等來施加扭矩實驗，最終選擇高精度扭轉(zhuǎn)試驗機來施加扭矩，裝置如圖3所示。

圖3 高精度扭轉(zhuǎn)試驗機

扭轉(zhuǎn)試驗機控制的扭矩精度可以達到0.1N·m，且可以控制扭矩轉(zhuǎn)速在10～150°/min的范圍。扭轉(zhuǎn)試驗機可解決實時檢測螺栓扭矩和軸向力的要求，且可以實時導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)。該實驗裝置兩側(cè)夾具都為三爪卡盤，自制了對應(yīng)的夾具與內(nèi)六角扳手。實驗時應(yīng)注意內(nèi)六角扳手與螺栓頭之間會有間隙，記錄數(shù)據(jù)時應(yīng)規(guī)避間隙帶來的影響。

2.3 力矩加載速度對扭矩系數(shù)的影響

通過計算機控制改變實驗裝置中電機的轉(zhuǎn)速，從而控制螺栓擰緊的力矩速度。實驗時保證螺栓擰緊時其他條件不變，且是同一批次的螺栓、螺母、墊片。每組螺栓連續(xù)加載三次，在壓力傳感器剛剛有示數(shù)時，開始記錄數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果見表1所示。

表1 改變力矩加載速度的扭矩系數(shù)

由表1可知，在相同條件下，改變力矩加載速度對螺栓的扭矩系數(shù)影響很小。相同加載速度的三次加載扭矩系數(shù)規(guī)律很明顯，呈依次增大的趨勢。因為螺栓在第一次擰緊過程中，其有效螺紋段都會有不同程度的塑性變形甚至破壞磨損，從而導(dǎo)致第二次、第三次扭矩系數(shù)不斷增大，既相同的施力扭矩下，產(chǎn)生的軸向力越來越小，螺栓作用也就越小。所以在使用螺栓時應(yīng)注意，螺栓第一次使用時所產(chǎn)生的壓緊力最大，且施力速度對螺栓產(chǎn)生的壓緊力影響不大。

2.4 墊片厚度對扭矩系數(shù)的影響

通過式(3)可以看出，對于墊片，影響扭矩系數(shù)的只有螺栓與墊片接觸面的摩擦系數(shù)和支撐面的有效直徑，而沒有涉及到墊片的厚度對扭矩系數(shù)的影響。但考慮到螺栓擰緊過程中，墊片會產(chǎn)生一定的塑性變形，這會對扭矩系數(shù)產(chǎn)生一定影響。在保證其他工況條件不變的情況下，改變墊片厚度，同時保證使用同一批次的螺栓、螺母、墊片，墊片對扭矩系數(shù)的影響見表2所示。

表2 墊片厚度對扭矩系數(shù)的影響

由表2可以看出，1.7mm的墊片與0.7mm的墊片對扭矩系數(shù)有明顯影響。1.7mm的墊片連續(xù)加載三次，扭矩系數(shù)也有增大的趨勢，但變化十分微小。根據(jù)此現(xiàn)象對其中一個1.7mm墊片繼續(xù)實驗，進行第四、第五次加載，扭矩系數(shù)分別為0.24、0.26?？梢妼β菟ǖ倪B續(xù)加載，扭矩系數(shù)依然呈現(xiàn)增大的趨勢。分析其原因，螺栓擰緊過程中所產(chǎn)生的壓緊力對墊片造成的彈性變形可使螺紋間的塑性變形減小，厚墊片所產(chǎn)生的彈性變形大于薄墊片，從而產(chǎn)生了這種現(xiàn)象。第一次擰緊相對于重復(fù)擰緊來說產(chǎn)生的壓緊力最大，效果最好[4]。

對比墊片厚度0.7mm和1.7mm的實驗數(shù)據(jù)，可以明顯看出厚墊片的扭矩系數(shù)小于薄墊片，1.7mm墊片在相同施力扭矩10N·m時所產(chǎn)生的軸向力大于0.7mm墊片所產(chǎn)生的軸向力。故在條件允許的情況下，安裝時應(yīng)盡量選擇厚的墊片。

2.5 墊片油潤滑對扭矩系數(shù)的影響

在螺栓連接中，適當?shù)暮駢|片可以使軸向力增大，起到保護螺栓連接的作用，但墊片與連接件、墊片與螺栓頭之間的摩擦也有一定影響。由式(3)中可知，μ1為支撐面摩擦系數(shù)，μ1越小，軸向力越小。為此，在常規(guī)工況條件下螺栓連接時，對墊片進行油潤滑處理，實驗結(jié)果見表3所示。

表3 墊片油潤滑對扭矩系數(shù)的影響

由表3可以看出，對墊片油潤滑，相同的施力扭矩下，其扭矩系數(shù)變大，軸向力變小。墊片油潤滑改變了支撐面的摩擦系數(shù)，使μ1變小，導(dǎo)致在相同扭矩下，扭矩系數(shù)變小。螺栓在裝配工藝上，應(yīng)減少對墊片的潤滑，使軸向力更大，螺栓連接更好。

2.6 擰緊力矩與擰緊轉(zhuǎn)角的關(guān)系

在螺栓連接的實際裝配中，預(yù)緊力的變化很不穩(wěn)定，沒有規(guī)律可言，很難直觀的檢測出來。螺栓擰緊時，施力扭矩的轉(zhuǎn)角可通過旋轉(zhuǎn)編碼器獲得。擰緊扭矩和轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律可間接的反映螺栓擰緊過程中預(yù)緊力的變化，故研究螺栓擰緊扭矩和其轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系很有必要[5]。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，在實驗中改變試驗參數(shù)，螺栓擰緊扭矩轉(zhuǎn)角的變化不明顯，都呈現(xiàn)出第一次擰緊時所需轉(zhuǎn)角很大，以后依次以微量減小的趨勢。扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同工況條件下擰緊扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系

由圖4可以看出，多組不同工況條件下，連續(xù)三次加載的螺栓擰緊實驗，其轉(zhuǎn)角的變化大都相同。第一次加載扭矩的角度最大，第二、三次轉(zhuǎn)角相比于第一次明顯減小，說明螺栓在使用過程中，只有第一次擰緊時所產(chǎn)生的軸向力最大。

對比三種不同的工況條件可以發(fā)現(xiàn)，墊片油潤滑在施力扭矩為10N·m時轉(zhuǎn)角為63°，其轉(zhuǎn)角最小，且扭矩系數(shù)最?。欢Ｒ?guī)條件下，第一次轉(zhuǎn)角與后兩次轉(zhuǎn)角相差很大，說明螺紋間發(fā)生了很大的塑性變形；用1.7mm墊片時，其轉(zhuǎn)角曲線近似于一條直線，且第一次加載相對于第二次加載的轉(zhuǎn)角相差20°，說明螺紋間只有很小塑性變形發(fā)生，減小的20°大多來自于螺紋表面摩擦系數(shù)的改變。總體來看，墊片油潤滑對螺栓連接沒有益處；1.7mm墊片可以增大軸向力，可以很好的保護螺紋，預(yù)防螺紋間發(fā)生大的塑性變形。

3 分析實驗現(xiàn)象

由以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，螺栓連接只有在第一次擰緊時，所產(chǎn)生的軸向力最大，以后每次擰緊都呈現(xiàn)減小趨勢。原因是：螺栓連接中螺紋受到壓緊力和摩擦力的作用，發(fā)生塑性變形，螺紋表面的鍍層或質(zhì)量發(fā)生了變化。

螺母與螺栓接觸直至被擰緊可分為幾個階段：貼合階段、擰緊階段、最終擰緊階段(見圖5所示)。貼合階段在螺栓連接中消除螺紋副和表面質(zhì)量對連接的影響，這也是螺栓第一次擰緊時所需轉(zhuǎn)角最大的原因。最終擰緊階段又可分為三個部分：彈性變形、半彈性變形和塑形變形。螺紋的塑性變形是造成螺栓連續(xù)加載，其扭矩系數(shù)越來越小的主要原因(既其軸向力越來越小的主要原因)。

圖5 扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系

分析改變施力速度的對比實驗，施力速度對螺紋連接的影響不大。但加載速度越來越大，產(chǎn)生的瞬時慣性扭矩變大，使真實扭矩變小，沒有達到額定的10N·m；由于真實扭矩值變小，軸向力也變小，所以不影響扭矩系數(shù)的值，故力矩的加載速度對扭矩系數(shù)的影響不大。

分析改變墊片厚度的對比實驗，厚墊片對比薄墊片，第一次加載時其扭矩系數(shù)略小，軸向力大，但第二、三次加載時扭矩系數(shù)卻有很大區(qū)別，薄墊片扭矩系數(shù)明顯變大，厚墊片扭矩系數(shù)變化很小。1.7mm墊片所產(chǎn)生的軸向力大和連續(xù)擰緊時扭矩系數(shù)變化很小的原因是：厚墊片對比薄墊片的彈性模量大，彈性變形大。

在螺栓擰緊過程中，螺紋間必然會發(fā)生彈塑性變形。螺紋的塑性變形會使螺栓連接軸向力減小，彈性變形使軸向力增大，且在連接中墊片的彈性變形也會使軸向力增大。螺栓連接過程中，螺紋間的軸向力與墊片所受到的力大小相同。所以厚墊片比薄墊片產(chǎn)生軸向力大的原因就是厚墊片彈性變形量大于薄墊片彈性變形量。

4 結(jié)束語

螺栓連接所產(chǎn)生的壓緊力第一次連接時最大，尤其對于高強度螺栓，在相對精密的環(huán)境中，高強度螺栓的重復(fù)使用需慎重考慮；螺栓的墊片厚度對螺栓連接有一定影響，對于需要頻繁拆卸的螺栓，應(yīng)盡量選擇厚的標準墊片；螺栓連接中，應(yīng)盡量保證墊片的原始狀態(tài)，不要用油潤滑。